CN107623135A - 车辆中的燃料电池冷却系统的控制 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及车辆中的燃料电池冷却系统的控制。一种车辆中的燃料电池系统包括燃料电池堆和用于冷却燃料电池堆的冷却系统。冷却系统具有散热器和被配置为将冷却剂供应到燃料电池堆的至少一个泵。控制器响应于指示车辆的下一次启动将是冷启动的状况而运行冷却系统，以在车辆被关闭时主动地冷却燃料电池。控制器随后可在启动冷却之后对燃料电池堆进行净化。

Description

车辆中的燃料电池冷却系统的控制
技术领域
本公开涉及一种用于车辆中的燃料电池堆的冷却系统以及控制所述冷却系统的方法和系统。
背景技术
燃料电池(诸如，氢燃料电池)是一种用于驱动车辆的可行的替代能量源。一般而言，燃料电池包括负电极(阳极)、电解质和正电极(阴极)。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电解质是固态的质子传导膜，所述质子传导膜是电绝缘的但是允许质子通过。通常，在阳极使用双极板或流场板引入燃料源(诸如，氢)，燃料源与催化剂在双极板或流场板进行反应并且分裂成电子和质子。质子穿过电解质到达阴极，电子通过外部电路并且随后到达阴极。在阴极处，从另一双极板引入的空气中的氧气在另一催化剂的作用下与电子和质子进行反应以形成水。
在系统操作期间，副产物水可能积聚在燃料电池堆中。如果副产物水留在燃料电池堆中受到寒冷环境温度的影响，则副产物水会冻结。为了防止冷冻水的积聚，在被称作燃料电池净化的过程中，可在车辆关闭时将流体传送通过燃料电池以从燃料电池堆中去除物质。
发明内容
在一个实施例中，一种车辆包括燃料电池堆和冷却系统，冷却系统具有散热器和至少一个泵，所述至少一个泵被构造为将冷却剂供应到燃料电池堆。至少一个控制器被配置为：响应于预期的即将到来的冷启动，运行冷却系统以在车辆被关闭时主动地冷却燃料电池堆。
在另一实施例中，一种车辆包括燃料电池堆和泵，所述泵被构造为将冷却剂输送到燃料电池堆。所述车辆具有用于关闭和启动车辆的装置。控制器被配置为：响应于车辆被关闭以及针对下一次车辆启动预期的冷冻启动，运行泵以主动地冷却燃料电池堆。
在另一实施例中，一种控制车辆中的燃料电池冷却系统的方法包括：首先关闭车辆。然后，当车辆被关闭时，响应于燃料电池冷却剂的温度低于阈值而运行燃料电池冷却剂泵。
附图说明
图1是根据实施例的车辆中的燃料电池系统的示意图。
图2是根据实施例的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的一部分的分解透视图。
图3是根据实施例的用于燃料电池的冷却系统的示意图。
图4是根据实施例的表示由用于在车辆关闭之后主动冷却燃料电池的控制系统实现的算法的流程图。
图5是根据另一实施例的表示由用于在车辆关闭之后主动冷却燃料电池的控制系统实现的算法的流程图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各个特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
参照图1，车辆10被示出为具有用于驱动车辆10的燃料电池堆12。图1中的车辆10是轿车，然而应该理解的是，车辆10还可以是其它车辆(诸如，卡车、越野车辆或市区车辆)。如下面将进一步描述的，燃料电池堆12的电池可包括阳极14、阴极16以及阳极14与阴极16之间的膜18。以这种方式，燃料电池12可以是质子交换膜燃料电池(PEMFC)12。
燃料电池堆12与高电压总线20电连通，并且向高电压总线20提供能量。高电压总线20与DC至DC转换器22电连通，并且向DC至DC转换器22提供能量。DC至DC转换器22与电池24和牵引马达26两者电连通。牵引马达26连接到一个或更多个车轮以推进车辆。
尽管燃料电池堆12被示出为向牵引马达26供电，但是应该理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，燃料电池堆12可另外或分别地被用于向车辆10的其它部件(例如，附件)供电。
主燃料源30连接到燃料电池堆12。在一个实施例中，主燃料源30是高压氢气储存罐或氢化物储存装置。根据一个实施例，主燃料源30向燃料电池堆12供应主燃料(例如，高压氢气或氢化物)，以与(在一个实施例中，由压缩机供应的)空气中的氧气反应，从而给车辆供电。
图2示出了质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆12(诸如，图1的燃料电池堆12)的一部分的示例。PEMFC 12通常包括由质子交换膜(PEM)18(也被称作聚合物电解质膜)分隔的负电极(阳极)14和正电极(阴极)16。阳极14和阴极16均可包括气体扩散层(GDL)、催化剂层以及形成多个气体通道34的双极板或流场板32。阳极催化剂层可促进氢原子分解成氢离子和电子，而阴极催化剂层促进氧气、氢离子和电子进行反应以形成水。另外，阳极14和阴极16均可包括设置在GDL与催化剂层之间的微孔层(MPL)。
双极板32的通道34可被构造为运送气体。通道34可运送空气或燃料(例如，氢气)。如图2所示，双极板32和通道34可相对于彼此旋转90度。可选地，双极板32和通道34可沿相同方向被定向。双极板32的材料使得双极板32在质子交换膜燃料电池(PEMFC)操作状况下是导电且耐腐蚀的，以确保双极板执行其功能：将反应气体馈送到膜电极组件(MEA)并且从MEA收集电流。
图3是用于冷却燃料电池堆(诸如，图1和图2的燃料电池堆12)的冷却系统50的原理概述图。系统50利用形成冷却回路52的管道来供应和调节供应到燃料电池12的冷却剂(例如，水、二醇/水混合物、导热油等)。至少一个泵54将冷却剂供应到燃料电池12的入口56。冷却剂随后流向三通阀60。可基于冷却剂的温度和燃料电池的期望温度来操作三通阀60，以将冷却剂传送到散热器62或者使冷却剂绕过散热器62。如果冷却剂被传送到散热器62，则散热器62利用风扇来执行热交换方法，以在升高周围空气温度的同时降低冷却剂温度。如果不需要额外的冷却，则操作三通阀60以将至少一部分冷却剂引导至旁通管线64，冷却剂在旁通管线64处被返回到泵54。
可在整个冷却回路52布置多个温度传感器，以用于测量冷却剂和环境空气的温度。在图3中示出的示例中，一个温度传感器66位于散热器62的出口处，另一温度传感器68位于泵54与燃料电池入口56之间，另一温度传感器70位于燃料电池出口58与三通阀60之间，另一温度传感器72位于适合于测量环境空气温度的区域内。每个温度传感器连接到控制器80。控制器80可以是单个控制器，或者可以是彼此连接且协同地被配置为执行在此描述的功能的多个控制器。控制器80被配置为：基于来自温度传感器66、68、70和72的多个温度输出来操作泵54和三通阀60，以控制流入燃料电池12的冷却剂的温度和量。
在系统操作期间，产物水、剩余燃料(诸如，氢气)和副产物(诸如，氮气)可能积聚在燃料电池堆12的阳极侧。燃料电池堆中的一个或更多个燃料电池可能由于阳极催化剂中缺少足够的氢气而发生逆向反应(电池电压大约为-1V或更低)。因为通过阳极的流动受到阻碍燃料电池的阳极出口路径的冰的限制，所以可抑制氢气到达催化剂。这会产生堵塞，使其它物质(例如，氮气、氩气、水蒸气)被困在燃料电池内，这会抑制新的氢气进入电池并正确进行反应的能力。已经尝试去除液体产物水和副产物并且重新使用剩余的氢气和至少一部分水蒸气。被称为“堆净化”的方法是已知的，在该方法中，当车辆关闭时，流体被传送通过燃料电池以从燃料电池堆中去除物质。这可在维持或升高燃料电池的温度的同时发生。堆净化的一个示例在序列号为14/047,449的美国专利申请中被公开，该美国专利申请通过引用被包含于此。然而，由于关闭之后燃料电池的温度降低，因此在关闭后一段时间之后继续进行堆净化会导致反应气体中的水冷凝。当几乎没有控制时或者如果水在净化之前冷凝，则堆净化可能会无效。系统中的冷冻水会导致燃料电池启动问题。
根据本公开的多个方面，燃料电池堆有目的地且主动地以受控方式被冷却，以促进阴极流动通道和阳极流动通道中的及时且彻底的水冷凝，并且水随后与反应气体一起被清除，以在燃料电池堆达到冷冻温度之前将冷凝物从燃料电池堆中排出。在关闭后的冷却阶段，散热器和燃料电池堆外的管件中的冷却剂比燃料电池堆(或者至少燃料电池堆的大部分)冷却得更快。车辆控制件被配置为监测环境温度和燃料电池堆外部的冷却剂的温度。一旦环境温度和冷却剂达到接近冰点但略高于冰点的触发温度(例如，10℃至15℃)，则环境温度可能进一步下降并且在可能需要冷冻启动的下一次启动之前变得足够冷是合理的。可将关闭时的环境温度与其它数据(诸如，一天中的时间、GPS数据和/或天气预报数据或来自驾驶员的手动输入(按钮或智能电话应用))进行组合，以改进用于预测接下来的启动是冷冻启动(FSU)的可能性的阈值的使用。一旦达到阈值，则车辆可在关闭序列期间(例如，在燃料电池堆调节步骤期间)使用冷环境空气和散热器来强制冷却冷却剂并且随后强制冷却燃料电池堆。
图4是示出被配置为由在此公开的一个或更多个控制器实现的算法100的流程图。在步骤102，控制器识别由例如点火开关被转到“断开”位置所指示的系统关闭。换句话说，控制器响应于点火开关被转到“断开”位置而接收关闭信号。车辆可被配备有用于关闭车辆的装置。例如，点火开关、钥匙插孔、按钮、用户界面等可连接到控制器，当点火开关、钥匙插孔、按钮、用户界面等被用户操作时，表示期望“开启”或“关闭”车辆。当车辆通过所述装置被“开启”时，车辆使得用户能够将挡位变为前进挡并推进车辆。当车辆通过所述装置被“关闭”时，车辆可禁用换入前进挡的能力，禁用燃料供应，并且完成与其它车辆关联的其它行动。
在步骤104，控制器评估下一次启动起始于冷冻状态的可能性。这可利用环境空气温度、GPS位置、日期和时间、车辆操作的行驶历史或模式、天气预报等来完成。例如，控制器可与车辆中的GPS系统通信，以确定车辆的位置以及日期和时间。该数据可允许控制器推断出即将到来的可能的FSU。例如，车辆可能在一月位于密歇根州的底特律，这会指示可能的FSU即将到来。然而，如果车辆在八月位于内华达州的拉斯维加斯，则即将到来的FSU是不太可能的。
还可将该数据与驾驶员历史结合。例如，如果车辆具有在春季月份期间在上午7点启动的历史，则这可比例如车辆具有在温度可能明显更高的下午2点启动的历史的情况更可能导致即将到来的FSU的推论。天气预报可被整合到车辆中，还可将天气预报与驾驶员历史以及位置进行组合，以更好地确定即将到来的FSU。
在步骤106，控制器基于在步骤104收集的数据来推断预期的FSU是否可能。如果没有预期的FSU，则算法进行到步骤108，在步骤108，车辆进行正常关闭程序。在步骤110，控制器等待下一次启动以开始任何进一步的动作。
然而，如果存在预期的FSU，则在步骤112，控制器检查来自驾驶员的超驰(override)。超驰的一个示例是由用户选择将禁止在关闭期间对燃料电池堆进行强制冷却的选项(例如，按压按钮)。
在基于在步骤114的确定没有选择超驰的情况下，算法进行到116，在116，触发修改的关闭程序，所述修改的关闭程序具有增加或扩展的步骤以考虑下一次车辆启动时的FSU。作为该修改的关闭程序的一部分，燃料电池系统的散热器的期望的冷却剂温度被设置为相对低的温度，使得冷却剂主动地冷却燃料电池堆。例如，在步骤120，开始(或继续)散热器中的冷却剂流动，并且开启一个或更多个散热器风扇以将环境空气吹过散热器盘管(radiator coil)。在步骤122，这降低了冷却剂的温度，从而调节并强制冷却燃料电池堆。
可以以多种方式实现步骤120，以经由再循环冷却剂来主动地冷却燃料电池堆，其中，通过散热器风扇将环境空气引入到散热器来冷却所述冷却剂。在一个示例中，控制器可以以单个脉冲来操作泵54，以将冷的冷却剂从散热器62移动到燃料电池堆12中，之后是等待时间段。在另一示例中，控制器可对泵进行操作，以持续地使冷却剂流动直到达到期望的温度。在步骤124，继续该处理，至少直到经过最小时间(t>t最小)并且达到期望的冷却剂温度(T冷却剂<T期望)，或者直到经过最大允许时间(t>t最大)。例如，期望的温度可以在10℃与15℃之间。
主动冷却燃料电池堆还提升了燃料电池堆的等温特性。使燃料电池堆等温消除了基于位置的不同速率或体积的冷凝的可能性。该技术允许系统在冷冻之前冷凝并去除更大量的蒸汽，而不管在燃料电池堆内的位置如何，这是因为来自散热器的较冷的冷却剂将冷却燃料电池堆并且冷凝的水的量是温度的强函数。
一旦在步骤124满足上述条件，则如上所述，控制器在步骤108命令关闭并且在步骤110结束。这可包括堆净化，其中，将氢气吹过阳极通道，将空气吹过阴极通道，氢气和空气两者均具有足够的流率(flow rate)，以将新冷凝的水清除出通道。这确保了水不会在通道内冻结并且不会阻碍随后的FSU时的流动。
图5示出了另一算法200的流程图，另一算法200可由一个或更多个控制器80实现以强制冷凝燃料电池堆12中的蒸汽，从而避免阳极通道和阴极通道以及过孔中的冰堵塞。在该实施例中，当触发了关闭之后的堆净化事件时，运行冷却剂泵以使得燃料电池堆等温。这是可行的，因为如在上述实施例中，散热器62和管道中的冷却剂比燃料电池堆12更冷，使得冷却剂冷却燃料电池堆。作为交换，散热器62将热传递给冷环境。以这种方式，最大量的蒸汽将在整个系统中冷凝并且将准备好经由上述净化气体的流动被去除。
更详细地，首先在步骤202，控制器识别例如由点火开关被转到“断开”位置所指示的系统关闭。在步骤204，系统进入“睡眠模式”，在所述“睡眠模式”下，不发生命令的或主动的流体运动。因此，系统由于较冷的环境温度而冷却。在睡眠模式期间，电功率流可被禁用或减小到不发生主动的有效数据收集的最小水平。在经过某一预定时间之后，系统在步骤206执行自动唤醒，以允许系统使用示出的温度传感器66、68、70和72中的一个或更多个来收集与回路52中的冷却剂的温度有关的数据。如果在步骤208燃料电池堆处的冷却剂温度低于阈值(例如，5℃至10℃)，则在步骤210，控制器启动泵54以迫使冷却剂进入燃料电池堆12。这使得燃料电池堆12更冷且更等温，并且消除了燃料电池堆的中心比燃料电池堆的边缘更暖的可能性。如果冷却剂温度未低于阈值，则系统返回睡眠模式。
取决于流率，冷却剂流动事件的持续时间可能是几分钟。燃料电池堆12的出口处的温度以及所述持续时间可被用作用于触发结束该冷却剂流动阶段的反馈信号。冷却剂流动阶段可在例如燃料电池堆的温度被检测为等温(例如，燃料电池堆的外边缘的温度与燃料电池堆的内部区域相比大致一致)时结束。
一旦在步骤210完成冷却剂流动阶段，则控制器可使得系统返回到睡眠模式。
使冷却剂在净化之前流过燃料电池堆12产生了后续净化事件的更好的有效性，所述净化事件可根据上述方法在步骤212被可选地执行。净化事件跟随在延迟的强制冷却事件之后，使得在强制冷却事件期间被冷凝的水在水有机会冷冻之前被冷却。如果延迟太久，则水会不被期望地在通道中冻结。可针对每个特定系统依据经验来确定延迟的定时，但是在一个示例中，如果在5℃至10℃的冷却剂温度触发了强制冷却，则净化事件将在强制冷却事件后的十分钟之内发生。
在步骤214，控制系统结束，并且等待例如由点火开关转到“接通”位置所指示的下一次系统启动。
在关闭时将燃料电池置于较低温度有利于以两种方式改善氢气保护。首先，系统中的压力变化较小。特别地，系统没有在真空压力下花费太多时间和/或经历较弱真空压力。这意味着存在较少的驱动力来吸入环境空气/氧气并且消耗或稀释氢气，并且因此，氢气保护时间将更长。其次，在关闭结束时，燃料电池中的气体(例如，氢气)较冷，因此在氢气保护状态开始时对于给定压力来说气体密度更大。因此，氢气的总质量(摩尔)将更大，需要损耗更多的氢气或者进入更多的氧气，以失去氢气保护状态。因此，氢气保护状态被延长。
在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机/通过处理装置、控制器或计算机实现，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或者专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可以以多种形式被存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，所述多种形式包括但不限于信息被永久地存储在非可写存储介质(诸如，ROM装置)上以及信息被可变地存储在可写存储介质(诸如，软盘、磁带、CD、RAM装置以及其它磁介质和光学介质)上。所述处理、方法或算法还可被实现为软件可执行对象。可选地，所述处理、方法或算法可使用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或任何其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合被整体或部分地实现。
尽管上面描述了示例性实施例，但并不意在这些实施例描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成可能未被明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，针对任何实施例被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的程度，这些实施例并不在本公开的范围之外并且可被期望用于特定的应用。

Claims (20)

1.一种车辆，包括：
燃料电池堆；
冷却系统，具有散热器和至少一个泵，所述至少一个泵被构造为将冷却剂供应到燃料电池堆；
至少一个控制器，被配置为：响应于预期的即将到来的冷启动，运行冷却系统以在车辆被关闭时主动地冷却燃料电池堆。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，冷却系统的运行包括：启动散热器风扇。
3.如权利要求1所述的车辆，其中，冷却系统的运行包括：运行所述至少一个泵以将冷却剂传送到燃料电池堆。
4.如权利要求1所述的车辆，其中，预期的即将到来的冷启动至少部分地由存储的行驶历史限定。
5.如权利要求4所述的车辆，其中，所述存储的行驶历史包括：指示启动车辆的多个时间和位置的存储的数据。
6.如权利要求1所述的车辆，还包括接收器，所述接收器被配置为接收指示天气预报的数据，其中，预期的即将到来的冷启动至少部分地由所述天气预报限定。
7.如权利要求1所述的车辆，其中，所述至少一个控制器还被配置为：响应于冷却系统运行的时间量超过最大时间阈值，禁用冷却系统。
8.如权利要求1所述的车辆，还包括温度传感器，所述温度传感器被配置为检测冷却剂温度，其中，所述至少一个控制器还被配置为：响应于冷却系统运行的时间量超过最小时间阈值并且冷却剂温度低于期望的温度，禁用冷却系统。
9.一种车辆，包括：
燃料电池堆；
泵，被构造为将冷却剂输送到燃料电池堆；
装置，用于关闭和启动车辆；
控制器，被配置为：响应于车辆被关闭以及针对下一次车辆启动预期的冷冻启动，运行泵以主动地冷却燃料电池堆。
10.如权利要求9所述的车辆，还包括散热器以及与所述散热器关联的风扇，其中，控制器还被配置为：响应于车辆被关闭以及针对下一次车辆启动预期的冷冻启动，启动所述风扇。
11.如权利要求9所述的车辆，其中，针对下一次车辆启动预期的冷冻启动至少部分地基于车辆的存储的行驶历史。
12.如权利要求11所述的车辆，其中，所述存储的行驶历史包括指示启动车辆的多个时间和位置的存储的数据。
13.如权利要求9所述的车辆，还包括接收器，所述接收器被配置为接收指示天气预报的数据，其中，针对下一次车辆启动预期的冷冻启动至少部分地基于接收到的天气预报。
14.如权利要求9所述的车辆，其中，控制器还被配置为：响应于泵运行的时间量超过最大时间阈值，禁用泵。
15.如权利要求9所述的车辆，还包括温度传感器，所述温度传感器被配置为检测冷却剂温度，其中，控制器还被配置为：响应于泵运行的时间量超过最小时间阈值并且冷却剂温度低于期望的温度，禁用泵。
16.一种控制车辆中的燃料电池冷却系统的方法，包括：
关闭车辆；
当车辆被关闭时，响应于燃料电池冷却剂的温度低于阈值而运行燃料电池冷却剂泵。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：在运行燃料电池冷却剂泵之前，响应于车辆被关闭而进入睡眠模式，从睡眠模式发起唤醒会话以将燃料电池冷却剂的温度与所述阈值进行比较，并且响应于所述温度高于所述阈值而重新进入睡眠模式。
18.如权利要求17所述的方法，还包括：重复发起唤醒会话的步骤和重新进入睡眠模式的步骤，直到所述温度降低到所述阈值以下。
19.如权利要求16所述的方法，还包括：在燃料电池堆的至少一部分变为等温并且燃料电池冷却剂的温度朝着冷冻温度降低之后，在可校准的时间延迟之后对燃料电池堆进行净化。
20.如权利要求19所述的方法，还包括：禁用燃料电池冷却剂泵，其中，所述净化发生在禁用燃料电池冷却剂泵之后。
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